岳鵬

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4協(xié)議棧建立一種無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，擁有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)外圍節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)對(duì)外圍節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)管理的方式，能夠有效解決組網(wǎng)管理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加和刪除以及智能傳感器之間的數(shù)據(jù)傳遞[1]。ZigBee技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本等特點(diǎn)，主要用于短距離范圍內(nèi)功耗低并且傳輸速率不高的電子設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，尤其是一些小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸，采用ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)方式更加靈活、可靠，在工業(yè)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集過程中的應(yīng)用最為普遍[2]。下面就主要介紹基于ZigBee技術(shù)的無線智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 ZigBee技術(shù)評(píng)價(jià)

基于Zigbee技術(shù)的無線智能抄表系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以和供電公司管理系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)抄表收費(fèi)一體化管理[3]。在智能化電網(wǎng)迅速發(fā)展的大背景下，基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)具有功率消耗低、投資成本低、抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，下文對(duì)ZigBee技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析：

1.1 功率消耗低

ZigBee借助無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，組網(wǎng)形式簡(jiǎn)單，并且具備低功耗、低傳輸速率等優(yōu)勢(shì)，發(fā)射功率僅為1mW，并且具有休眠模式，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的工作時(shí)間，日常使用過程中基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)非常省電。根據(jù)計(jì)算，每個(gè)ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池，就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間[4]。

1.2 投資成本低

基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)建網(wǎng)費(fèi)用低、建設(shè)周期短、維護(hù)量小，不用占用耕地，無需人力檢查線路，有效地降低了人力成本和物力成本，由此可見，低成本是ZigBee技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)。

1.3 響應(yīng)時(shí)間短

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率為10kb/s~250kb/s，響應(yīng)速度較快，從休眠到激活只需要15ms，設(shè)備信道接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間僅為30ms，延時(shí)短而且能耗低。因此，ZigBee技術(shù)適用于復(fù)雜工況并且對(duì)能耗要求較嚴(yán)格的無線控制應(yīng)用。

1.4 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和集中器之間存在多條通信路徑，如果因環(huán)境等因素造成個(gè)別傳感器節(jié)點(diǎn)故障或者失效，不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信連接。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)和集中器之間存在多條通信路徑，系統(tǒng)會(huì)匹配最優(yōu)路徑繞過故障節(jié)點(diǎn)傳播信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)失效也不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸安全、可靠

Zigbee技術(shù)采用了三級(jí)安全措施確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠。第一層安措是?duì)于一些安全性低或者上層已經(jīng)提供足夠安全保護(hù)措施的應(yīng)用，系統(tǒng)可以直接允許應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；第二層安措可以通過介入控制清單的方式，檢查應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性，防止非法應(yīng)用盜取數(shù)據(jù)信息；第三層是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采取AES對(duì)稱密碼，AES密鑰長(zhǎng)度為128、192、256位，運(yùn)算速度快、安全性高、資源消耗低，在現(xiàn)階段是最安全的加密算法，可以有效保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，防止非法用戶的惡意攻擊，適用于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的安全保障工作，尤其是在無線智能抄表系統(tǒng)中具有很廣闊的應(yīng)用前景[5]。

2 無線智能抄表系統(tǒng)的通信、組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)星形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形結(jié)構(gòu)包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，終端節(jié)點(diǎn)之間無法相互進(jìn)行通信，需要借助協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)；樹形結(jié)構(gòu)包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，而子節(jié)點(diǎn)又可以分別連接其他路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)形成多個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)同樣包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，與樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，路由器節(jié)點(diǎn)之間可以互聯(lián)通信，信息傳播路徑更加靈活，即使一個(gè)路徑出現(xiàn)問題，信息也可以通過其他路徑進(jìn)行傳輸[6]。基于Zigbee技術(shù)的無線智能抄表系統(tǒng)采用的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持對(duì)等關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)無線智能抄表設(shè)備在Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中都屬于節(jié)點(diǎn)。Zigbee無線智能抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

圖1 無線智能抄表系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Wireless Intelligent meter Reading system communication structure diagram

2.2 無線模塊電路設(shè)計(jì)

無線智能抄表系統(tǒng)的無線模塊，主要由電源電路、JN5139單片機(jī)模塊、串口通信電路、外部?jī)?chǔ)存電路、溫度采集電路以及顯示電路組成，無線模塊電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和單片機(jī)接口電路三個(gè)部分。本文研究的基于ZigBee技術(shù)的無線智能抄表系統(tǒng)采用Zigbee SOC CC2530F256和高性能低功耗射頻前端CC2591芯片，利用SMT工藝，工作在2.4GHZ ISM頻段,數(shù)字IO接口全部接出，用處廣泛。模塊免除了客戶射頻開發(fā)的困難，軟件方面支持TI-MAC,SimpliciTI,Z-Stack2.3.0,RomoTI等軟件包，方便客戶開發(fā)符合IEEE 802.15.4, Zigbee2007,Zigbee Pro和Zigbee RF4CE等標(biāo)準(zhǔn)或其它非標(biāo)的產(chǎn)品。KB3031-KR 嵌入式GPRS DTU（Data Terminal Unit）是采用高性能的KB601Q GSM模塊開發(fā)的GPRS低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有低功耗、性能穩(wěn)定、體積小、性價(jià)比高的特點(diǎn)，成本低，有利于用戶設(shè)備和系統(tǒng)的集成，也是專門針對(duì)水表、氣表、流量計(jì)遠(yuǎn)程抄表的一款GPRS低功耗模塊。

2.3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

基于Zigbee技術(shù)無線智能抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是以IEEE802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)，不斷拓展形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先通過初始化設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PAN ID，創(chuàng)建基于PAN Co-ordinator短地址，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能匹配一個(gè)PAN Co-ordinator，一旦PAN Co-ordinator完成初始化就必須選擇一個(gè)PAN ID作為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，PAN Coordinator可以掃描多個(gè)頻率通道，每個(gè)PAN Coordinator設(shè)備都具有一個(gè)固定的64位IEEE MAC地址，通常被定義為0x0000。然后選擇射頻頻率，PAN Co-ordinator選擇相應(yīng)的射頻頻率通道建立無線網(wǎng)絡(luò)。建立起無線網(wǎng)絡(luò)后，其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以加入該網(wǎng)絡(luò)，需要加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通過尋找PAN Co-ordinator之后就可以發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng)，系統(tǒng)審核是否具備足夠的資源接受新的設(shè)備，并且決定是否同意加入網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；赯igbee技術(shù)無線智能抄表系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，如下圖2所示：

圖2 無線智能抄表系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)Fig 2 Network design of wireless intelligent meter reading system

3 智能抄表系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的無線智能抄表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，分為電能表數(shù)據(jù)采集器、中繼器和集中器。電能器表數(shù)據(jù)采集可以和多個(gè)無線智能電表相連，相當(dāng)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)，可以自由進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理功能；中繼器可以增強(qiáng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信號(hào)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)一些不能直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)提供無線信號(hào)，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)牧鲿承?；集中器?fù)責(zé)整合系統(tǒng)內(nèi)的電能數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏芾聿块T，通常一個(gè)無線智能抄表系統(tǒng)中只有一個(gè)集中器，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)協(xié)調(diào)器的作用，同時(shí)還具有路由能力。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Zigbee技術(shù)無線智能抄表系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和站控管理層三個(gè)部分。下面就分別從這三個(gè)層面對(duì)基于Zigbee技術(shù)無線智能抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析：

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是無線智能抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，主要負(fù)責(zé)采集各類儀表的數(shù)據(jù)信息，這些儀表相當(dāng)于Zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的端點(diǎn)，通過無線接口與集線器連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸，為電力公司的電力儀表、溫濕度控制器、開關(guān)量監(jiān)測(cè)模塊以及電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等設(shè)備的控制指令傳輸提供數(shù)據(jù)支持。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊層

網(wǎng)絡(luò)通訊層主要負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)以及匯總各個(gè)端點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送各種控制指令。因此，網(wǎng)絡(luò)通訊層數(shù)據(jù)匯總以及處理的能力，直接決定著無線智能抄表系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。此外，網(wǎng)絡(luò)通訊層為了能夠提升無線智能抄表系統(tǒng)的抗干擾能力，在上機(jī)位配置光電隔離保護(hù)裝置，避免網(wǎng)絡(luò)中不穩(wěn)定信號(hào)對(duì)其造成的干擾或破壞，最大限度的提升網(wǎng)絡(luò)通訊層數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性。同時(shí)，軟件系統(tǒng)將通過建立統(tǒng)一的認(rèn)證機(jī)制，提升Zigbee網(wǎng)絡(luò)的安全性，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院捅Ｃ苄浴?/p>

3.2.3 站控管理層

無線智能抄表系統(tǒng)的站控管理層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心單元，位于軟件結(jié)構(gòu)的最上層，直接面向配電網(wǎng)絡(luò)的管理人員，主要是負(fù)責(zé)電表數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、方便管理人員查閱歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)表分析，是電網(wǎng)智能化管理的數(shù)據(jù)平臺(tái)。本文研究的基于Zigbee技術(shù)無線智能抄表系統(tǒng)，采用STR912WA44嵌入式處理器，提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘或?qū)崟r(shí)定時(shí)器，提供邏輯接口，支持VxWorks、Linux操作系統(tǒng)，適合于工業(yè)控制，并且具有功耗低、可擴(kuò)展資源等特點(diǎn)，STR912WA44嵌入式處理器最大支持4個(gè)獨(dú)立的64M外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展，并且每一個(gè)外部存儲(chǔ)器都具有8至16外數(shù)據(jù)通道，能夠滿足海量數(shù)據(jù)傳輸、匯總、處理以及存儲(chǔ)的需求。

4 結(jié)論

綜上所述，無線通信技術(shù)的發(fā)展有效地推動(dòng)了電網(wǎng)智能化的進(jìn)程，本文重點(diǎn)研究了基于ZigBee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，采用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效的降低了人力成本，而且還能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、?zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，使電網(wǎng)管理部門能及時(shí)準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)信息[7]。伴隨著ZigBee技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，ZigBee芯片功能會(huì)更加強(qiáng)大，研發(fā)成本也會(huì)不斷降低，在未來智能電網(wǎng)領(lǐng)域，無線智能抄表系統(tǒng)將具有很廣闊的應(yīng)用前景。